病毒的“克星”抗病毒材料

供稿|杨丽萍 / YANG Li-ping

内容导 读

新型冠状病毒的爆发和流行给人类的健康造成严重的危害，已成为全球医药卫生领域的公共问题。使用抗病毒材料作为一种有效抑制和消灭病毒保护人体健康的强有力措施，受到广泛关注。具有高效抗病毒功能的材料是如何有效地杀灭、消除病毒的？目前有哪些能有效杀灭病毒的消毒剂？本文梳理了现阶段常见的几种抗病毒材料，重点介绍了材料的抗病毒机理，分析了其在实际应用中的优势和不足，并指出：考虑人体安全性、环境友好性等因素和要求，高效、无毒/低毒、长效、无副作用、经济实用的抗病毒材料是科学家们不懈努力的研究方向。

2020年是极不平凡的一年。新年伊始，2019新型冠状病毒(2019-novel coronavirus，2019-nCoV)感染导致的新型冠状病毒肺炎疫情爆发。这种病毒感染性强，潜伏周期长且潜伏期具有感染性，极易造成大面积的感染。使用抗病毒材料作为一种有效抑制和消灭病毒保护人体健康的强有力措施，受到广泛关注。抗病毒材料是如何有效地杀灭、消除病毒的？目前有哪些能起到有效杀灭病毒作用的消毒剂？本文简明扼要地介绍了几种抗病毒材料的作用机理。

医用酒精

酒精，又称乙醇，分子式为CH3CH2OH。杀灭病毒效果比较好的医用酒精一般是指体积分数为75%的乙醇溶液，即75%酒精。病毒一般由专门携带遗传物质的RNA 或 DNA和一些功能性蛋白质外壳构成，是一种在细胞内寄生的生物，且仅在生物体的活细胞内复制，之后导致宿主细胞死亡。研究表明，75%酒精的浓度与病毒的内部环境相适宜，75%酒精作用于病毒时，一方面可以使病毒外壳表面的蛋白质膜脱水变性；另一方面，可以渗入病毒内部，降解病毒的遗传物质，从而使病毒失去活性。但乙醇极易挥发，故而时效比较短，容易造成浪费，且乙醇作为易燃物质，在使用过程中一定要注意避免同时使用明火。

含氯消毒剂

含氯消毒剂是指溶于水后产生具有杀灭微生物活性的次氯酸的消毒剂，包括84消毒液、漂白粉、含氯消毒粉、含氯泡腾片等。含氯消毒剂可杀灭各种微生物，包括病毒、细菌、真菌等。次氯酸作为含氯消毒剂的主要成分，因其具有的强氧化性与病毒蛋白质外壳发生氧化还原反应使其变性失活；同时还可以渗入病毒内部使其丧失活性而死亡。由于氯元素的存在，含氯消毒剂使用时有刺激性气味且易腐蚀物体表面。

医用口罩

医用口罩是当前新型冠状病毒疫情中最常用的防病毒物资，它以物理隔离的方式有效阻止病毒随飞沫等的传播。医用口罩一般由内、外纺粘层、熔喷过滤层构成，其中起关键作用的是熔喷过滤 层[1]。熔喷过滤层的主要生产原料是聚丙烯。聚丙烯超细纤维直径可以达到0.5～1.0 μm，这些聚丙烯超细纤维随机分布形成的独特毛细结构提供了纤维间更多的热粘合机会，增加了单位面积纤维的数量和表面积，使医用口罩的熔喷气体过滤材料比表面积更大，孔隙率(≥75%)更高，再加上熔喷静电驻极工艺提高材料过滤效率[知识小贴士]，从而使熔喷过滤层具有很好的空气过滤性和病毒屏蔽性，使产品具有低阻、高效、高容尘等特点[2]。

纳米消毒材料

纳米材料是指在三维维度中至少有一个维度在纳米尺寸范围内(1～100 nm)的材料，因其具有的独特性能，如尺寸效应、表面效应、量子隧道效应、可控的疏水性/亲油性以及可修饰性等，在生物医学领域(生物传感、生物成像、药物靶向运输、肿瘤诊疗、抗病毒等)具有巨大的应用潜力。

纳米材料按抗病毒特性及作用机理可分为 3类[3-5]：(1)金属纳米材料；(2)碳基纳米材料；(3)光催化型纳米材料。

金属纳米材料

金属材料被用作杀菌消毒剂由来已久。公元前338年，马其顿人采用银片覆盖来加速伤口的愈合。在中国古代草原的牧民用银碗盛放马奶延长食物的保鲜日期。1893年C. Von Nageli首次报道了金属(尤其是银)对细菌、病毒等低等生物的致死效应，使银有可能成为一种消毒剂[6]。此外，金、铜、锌、铁、钴、镍、铝、锰、镁等金属也被证实具有抗病毒活性[7-8]。但由于大多数金属在人体内过量富集会对人体产生危害，同时考虑到经济成本、抗病毒活性等因素，目前杀菌消毒剂使用较多的金属纳米材料是金、银、铜和锌，化学元素符号分别为Au、Ag、Cu和Zn。

金属纳米材料的消毒过程是如何进行的呢？

(1) 蛋白质变性

纳米材料具有高的比表面积，大大增加了材料与病毒的接触几率，从而为抗病毒活性的提高提供了便利。金属纳米材料表面带有正电荷，病毒表面蛋白质外壳中存在羧基(—COOH)、巯基(—SH)等官能团带有负电荷，金属纳米材料在异性相吸原理的库仑力作用下直接吸附在病毒表面发生反应使蛋白质凝固变性，破坏病毒外壳蛋白质的正常结构使其失去活性。

(2) 干扰遗传物质

纳米金属材料进入病毒内部与遗传物质相结合，干扰核酸的合成、复制、转录等，阻碍病毒正常的繁殖过程，导致病毒活性降低甚至丧失，从而达到消灭病毒的目的。

(3) 极化细胞膜

病毒感染是指病毒侵入人体内并在靶器官细胞中增殖，与机体发生相互作用的过程。实际上，与许多生物相互作用类似，病毒侵入宿主细胞的过程是病毒表面成分和细胞膜受体之间的多价互作的结果。纳米金属材料在溶液中会有相应金属离子溶出，带有正电荷的金属离子在浓度梯度的作用下，与带有负电荷的细胞膜、细胞壁在库仑力的作用下相互吸引，从而使得细胞壁、细胞膜内外形成极化状态，使病毒的活动范围受限，生存环境发生改变而失去活性。因此，金属纳米材料结合金属材料和纳米材料二者的特性，可以有针对性地对纳米颗粒表面进行功能化修饰干扰细胞膜受体的病毒识别位点从而阻止病毒进入细胞，这是行之有效的开发抗病毒药物的策略和途径。

碳基纳米材料

碳基纳米材料是由碳元素构成的一类材料，从维度上主要分为：零维的碳量子点、富勒烯及衍生物；一维的碳纳米管；二维的石墨烯及衍生物；三维的介孔碳纳米球、金刚石等。

碳基纳米材料具有的高比表面积使得材料表面具有大量的活性位点，从而使得表面官能团功能化修饰变得更加容易，同时这类材料具有较好的生物相容性，近年来在抗病毒领域发挥着越来越重要的作用。

针对碳纳米材料合成复合材料从而形成多功能纳米材料的策略是具有发展前景的抗病毒方法。研究表明，氧化石墨烯通过对病毒进行包裹，与细胞表面的受体吸附病毒之间形成竞争关系，抑制病毒在细胞表面的吸附，被广泛应用于病毒感染抑制。

光催化型纳米材料

光催化剂通常是指在光子的激发下能够起到催化作用的化学物质的统称，主要包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO2)、二氧化硅(SiO2)、二氧化锆(ZrO2)等n型半导体氧化物。

氧化物半导体的价带电子在可见光、紫外光等的照射下，吸收外界的能量发生跃迁，材料表面成为带有正电荷的空穴，可与周围环境中吸附在材料表面的氧气分子(O2)和水分子(H2O)发生反应生成羟基自由基(—OH)和超氧负离子(O2-)。羟基自由基 (—OH)和超氧负离子(O2-)都具有强氧化还原能力，可以加速与病毒表面蛋白质的反应，生成无毒无味的二氧化碳(CO2)和水(H2O)，破坏微生物的正常增殖分裂能力，从而达到抑制或使病毒失去活性的目的。

此外，现代科技的发展涌现出越来越多的新技术使得复合材料的合成变的非常容易实现。在实际应用中，可以根据不同需求有针对性地设计不同材料掺杂、复合的光催化剂来实现使病毒感染受到抑制的目的。

结束语

近年来各种新型病毒的爆发和流行，给人类的健康造成严重的危害，传统的抗病毒材料已不能满足需要，因此研制开发新型的具有高效抗病毒功能的材料成为当前的研究热点。例如，在植物纤维中引入抗菌的官能团制备绿色、无公害的植物纤维抗菌材料；设计具有靶向功能的仿生材料；金属-有机骨架化合物(MOF)等新型功能材料。相信在科技工作者的不懈努力下，未来会涌现出越来越多的绿色、高效、经济新型抗病毒材料。

抗病毒材料作为抑制和消灭病毒传播的有效物资，其开发和应用在国内外具有广阔的发展空间。考虑到人体安全性、环境的友好性等因素的要求，高效、无毒/低毒、长效、无副作用、经济的抗病毒材料是科技工作者不懈努力的方向。

知识小贴士

熔喷静电驻极工艺是事先在聚丙烯聚合物中加入电气石、二氧化硅、磷酸锆等无机材料，然后在卷布前通过静电发生器针状电极电压5～10 kV一组或多组电晕放电的方式使熔喷材料带上电荷，施加高压时针尖下方的空气产生电晕电离，产生局部击穿放电，载流子通过电场的作用而沉积到熔喷布表面，一部分载流子会深入表层被驻极母粒的陷阱捕获，从而使熔喷布成为驻极体过滤材料。